祝賀：北京大學/浙江大學合作最新Science

量子網絡爲量子通信、時鐘同步、分佈式量子計算和傳感提供了框架。實現大規模和實用的量子網絡依賴於可擴展架構和集成硬件的發展，這些可擴展架構和集成硬件可以通過複雜介質量子通道共享多維糾纏來相干地互連多個遠程量子節點。

2023年7月13日，北京大學王劍威及浙江大學戴道鋅共同通訊在Science在線發表題爲“Multichip multidimensional quantum networks with entanglement retrievability”的研究論文，該研究報道了一種基於可批量生產的集成納米光子量子節點芯片的多芯片多維量子糾纏網絡，該芯片是通過互補金屬氧化物半導體工藝在硅片上製造的。

利用混合多路複用，該研究證明了多個多維糾纏態可以分佈在由少模光纖連接的多個芯片上。並開發了一種可以有效地恢復複雜介質量子通道中多維糾纏的技術，這對實際應用具有重要意義。該研究證明了實現大規模實用芯片量子糾纏網絡的能力。

量子網絡的目標是在量子通道相干連接的量子節點網格中傳輸、存儲和處理量子信息，超越了經典互聯網的能力。它承諾了許多應用，如用於安全通信的量子密鑰分發(QKD)、更高精度的時鐘同步、分佈式量子計量和分佈式量子計算。升級當前QKD網絡的關鍵是實現能夠在大量遠程量子節點之間魯棒共享複雜糾纏態的糾纏網絡。

實現大規模和實用的量子糾纏網絡在實驗上仍然具有挑戰性。它需要可擴展的量子硬件、技術和體系結構，以便通過大容量量子信道在大量量子節點之間分佈糾纏態。量子光子集成電路是一種新興的量子信息處理和通信硬件系統。迄今爲止，使用集成光子芯片，點對點QKD和糾纏分佈已經在單芯片到單芯片系統中得到了證明，並且單個微環諧振器已被用作QKD和網絡的光子源。綜合集成量子節點設計網絡需要全譜單片集成設備，用於編碼、解碼、多路複用、操作和光的量子態檢測。

與單芯片或單芯片到單芯片量子實驗相比，實現多芯片量子網絡仍然具有挑戰性，因爲它不僅需要不同器件的單片集成，而且需要不同芯片之間的高度量子不可區分性以實現可擴展的量子網絡。同時，實際的量子網絡需要高容量和抗噪聲的糾纏傳輸。多維量子系統被認爲是優秀的候選者之一，然而，當穿越複雜介質(如多模光纖(MMF)或空氣散射通道)時，它容易受到環境擾動。因此，不可避免地會發生狀態混亂和糾纏退化。先前的工作已經證明了利用測量-反演技術在複雜介質中解碼經典和量子光的能力，該技術需要重建傳輸矩陣，然後進行逆操作以恢復狀態。最近提出了另一種全光學解碼方法，並證明了經典光的單一傳輸。在現實世界的量子網絡系統中，有效地檢索複雜介質中光的量子態具有實際意義。此外，在體系結構層面，量子網絡設備和技術有望維持大量量子節點和高容量量子信道，並與經典電信網絡中已經發展良好的多路複用設備和技術相兼容。

多芯片多維糾纏網絡的體系結構（圖源自Science）

該研究展示了一個多芯片多維量子糾纏網絡，使用硅光子混合多路複用技術具有可恢復性。全譜的混合編碼和多路複用器件已經單片集成在芯片上，提供了電路複雜性和功能方面最複雜的集成量子光子器件之一。網絡架構、集成量子器件、MMF通道和糾纏檢索技術的可擴展性已被證明和驗證。在未來現實世界的遠距離量子網絡中，導致MMFs中模式串擾和相位漂移的環境噪聲可以通過使用硅中的快速開關和光檢測進行實時全光校正。該研究指向了用於量子信息處理和通信的大規模、基於芯片的量子糾纏網絡的實際實現。糾纏檢索和集成光子量子信息處理的技術進步可以爲在超高維光纖複雜介質中操作量子光提供一種可編程的方式，這可能適用於基礎科學和應用科學。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg9210